Baseliner：一个开源的木本植物液流数据处理工具

可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectSoftwareX 5（2016）139原始软件出版物www.elsevier.com/locate/softxBaseliner：一个开源的交互式工具，用于处理来自热耗散探头的液流数据A.放大图片作者：Christopher Oishia， David A.霍桑a，拉姆奥伦ba美国农业部林务局，南部研究站，考维塔水文实验室，奥托，北卡罗来纳州，美国 b杜克大学，尼古拉斯环境学院，达勒姆，北卡罗来纳州，美国接收日期：2016年7月5日;接受日期：2016年摘要利用热耗散液流传感器估算木本植物蒸腾需要仔细的数据处理。目前，研究人员使用电子表格或通过亲自编写统计软件程序的脚本（例如，R，SAS）。我们开发了Baseliner软件，以帮助建立一个标准化的协议处理液流数据。Baseliner使用户能够使用自动化步骤、可视化和手动编辑的组合。数据处理需要建立一个零流量参考值，或“基线”，它随传感器和时间而变化。由于目前没有一套算法可以可靠地进行QA/QC和估计零流量基线，Baseliner提供了一个图形用户界面，允许对数据进行目视检查和操作。首先使用一组用户定义的参数自动处理数据。然后，用户可以使用鼠标和键盘命令查看数据，以进行额外的手动QA/QC和基线识别随着改进方法的开发，开放源码软件允许用户定制数据处理算法由爱思唯尔公司出版 这是CC BY许可下的开放获取文章（http：//creativecommons. org/licenses/by/4. 0/）。关键词：树干液流;热耗散探头; Granier探头;数据处理代码元数据当前代码版本4.0此代码版本所用代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-16-00055法律代码许可证GNU GeneralPublic License v3.0代码版本控制系统使用git软件编程语言MATLAB编译要求，操作环境依赖性如果可用，链接到开发人员文档/手册https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-16-00055/blob/master/README.md问题支持电子邮件acoishi@fs.fed.us软件元数据当前软件版本4.0此版本可执行文件的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-16-00055法律软件许可证GNU通用公共许可证v3.0计算平台/操作系统Microsoft Windows，MATLAB安装要求依赖项如果可用，用户手册链接-如果正式出版，请在参考列表中引用该出版物https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-16-00055/blob/master/README.md问题支持电子邮件acoishi@fs.fed.uc*通讯作者。电子邮件地址：acoishi@fs.fed.us（A.C. Oishi）。http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2016.07.0032352-7110/Elsevier B. V. 这是CC BY许可下的开放获取文章（http：//creativecommons. org/licenses/by/4. 0/）。140A.C. Oishi等人/ SoftwareX 5（2016）139;1. 动机和意义木本植物水分利用的定量研究是植物生理学、水文学、森林生态学和环境科学研究的重要组成部分。目前，最有效的方法来估计连续的，原位的，整棵树的用水量是与树液通量传感器。在过去的几十年中，已经开发了各种类型的树液流量传感器，但是所有传感器都基于类似的原理进行操作。传感器将热量施加到树最常用的液流传感器类型之一是热耗散探头（TDP）[1，2]。这些探针是商业上可获得的，或者可以由研究人员以相对容易和低成本构建。TDP测量温度之间的差异，perature加热和未加热的传感器（在第2节的细节- tion：理论的热耗散探头操作），并输出一个原始的电压信号，可以由一个自动记录仪记录，交配。从原始TDP信号准确估计液流需要解决几个重要的挑战，包括数据质量保证和质量控制（QA/QC），并将原始数据转换为液流。不正确的数据处理将在后续分析中传播错误，导致树和林分水平用水量和夜间树液通量的不正确估计[3，4]。来自TDP的数据可能表现出相当大的变化性，无论是对于单个探针随时间的变化还是在不同探针之间。目前，没有通用的算法可用于数据QA/QC和处理。在这里，我们提出的软件，使用户能够QA/QC和原始TDP数据转换成液流。该软件结合了自动和手动方法来进行数据QA/QC和处理。该软件的开源设计使改进的数据处理算法能够在开发时被纳入。2. 热耗散探头工作基于Granier将管径向安装到树上探头包括由康铜丝制成的加热元件，缠绕在探头周围，供应0.200W.热电偶产生一个随温度变化的小电压，热电偶对用于测量加热和未加热探头之间的温差（dT随着水运动速度的增加，上部探头附近的热量被耗散，并且dT下降。clines（图 1 a）。dT与液流（F; m3 m−2 s−1）呈负相关，通量为零时探头之间最大温差的函数（dTmax;Δ C）。因此，F可以通过以下等式与dT相关：K= （ dTmax− dT ） / dT= （dTmax/ dT ） − 1 ，（1）F=α×Kβ，（2）Fig. 1.示例时间序列（a）来自散热探头的原始温差（dT），零流量参考这个例子显示了一个相对稳定的dTmax。请注意，由于下午的降雨事件，220年下半天的K低于其他其中K是无量纲dT信号具有一些可预测的特性。d T通常大于2 ° C，小于15 ° C，具有典型幅度小于5 ° C的日波状图案（图1）。1 a）。然而，振幅将随时间变化，液流和波浪状图案可以在一天，如果液流急剧下降（例如，由于下午下雨事件;图。①的人。TDP是相对简单和可靠的设备;然而，它们可以输出预期值范围内的数据，但表现出不稳定的模式，与植物生理行为不一致dT信号可能会受到错误接线、电源中断或其他电气干扰的影响（图2a）。这些数据并不代表真实的树液流通量，在数据处理之前应过滤掉。此外，可靠数据中可能会出现短暂的空白，这通常是由于电力中断（图1）。 2b）。确定一个可靠的dTmax也提出了一个方法上的挑战。dTmax在传感器之间变化，并随着时间的推移而变化，这是由于树木的水分状况、环境温度波动以及供应给加热元件的功率的变化等因素[3]。因此，随着时间的推移，dTmax可能表现为稳定（图1a），向上或向下漂移（图3a），或表现出A.C. Oishi等人/ SoftwareX 5（2016）139141图二.来自散热探头的温差（dT）数据的时间序列示例，说明（a）可能由于错误的接线连接而导致的不可靠数据，以及（b）dT信号中的单个数据点中断。图三.来自散热探头的温差（dT;黑线）数据的时间序列示例和代表零流量条件（dTmax）的最大dT，说明（a）dTmax的漂移和（b）信号的阶跃变化，可能是由于供应给传感器的热量变化。阶跃变化（图3b）。此外，在某些系统中，如果树冠内的空气湿度非常高，或蒸汽压差（D; kPa）达到0 kPa，则dTmax可能每晚出现。然而，这一假设对许多系统是无效的，许多研究已经证明了夜间通过茎的水分运动，无论是由于夜间蒸腾还是茎水的补充[4由于这些原因，不存在用于识别dTmax的通用规则或算法。Baseliner软件采用混合方法估计dTmax，首先根据dT稳定性和生物物理条件识别流量可能为零的时间点，然后允许用户目视检查和修改这些点。在识别单个dTmax3. 软件框架Baseliner（版本4.0）是用MATLAB（R2015b，Mathworks Inc.，（Natick，MA）设计为在MATLAB环境中运行或编译为Windows的独立可执行程序该软件包含了Baseliner程序早期版本的大部分用户界面外观，但经过重新编写以包含更多功能。它是在开源许可证下发布的，允许用户修改处理TDP数据的核心算法。Baseliner提供了一个图形用户界面（GUI），用于可视化每个TDP的数据并执行两种类型的操作：原始数据的QA/QC和将原始数据转换为流量值。下面详细描述每种类型的操作3.1. 用户界面BaselinerGUI显示dT和K的时间序列图，用于目视检查每个TDP的数据。鼠标和快捷键可用于放大和缩小，向前和向后平移时间。由于树液通量通常高度依赖于大气对水的需求，GUI显示D（如果测量）以及K数据，142A.C. Oishi等人/ SoftwareX 5（2016）139见图4。Baseliner用户界面窗口的示例视图，包括一年的TDP数据。为昼夜趋势的时间和幅度提供参考。3.2. 输入数据Baseliner以逗号分隔值（.csv）文件的形式导入原始数据，该文件包含时间和日期、辐射、D和TDP输出列。由于研究地点之间的测量结果并不一致，因此输入变量具有灵活性。测量可以在任何时间增量（通常为15分钟至1小时记录），但必须是连续的，一年中的天数必须单调增加测量的辐射类型此变量仅用于划分夜间和白天数据，因此在没有辐射数据的情况下，可以使用0和1的占位符向量分别表示夜间和白天。如果D数据可用，则它们可用于条件dTmax识别;然而，该变量不是必需的。dT的单位是任意的，可以表示为作为来自热电偶的原始mV值或转换为mVC。Baseliner不会更改原始数据，并跟踪任何更改在加工过程中。3.3. 数据QA/QCdT数据的初步QA/QC是根据几个用户定义的参数自动完成的。将设置数据如果它们超过最小或最大阈值，则在传感器的可靠操作范围之外，将其转换为非数字（NaN）值。被NaN值中断的短数据段通常指示传感器故障，并且如果它们短于一天，则段可能太短而不能提供可靠的液流估计。因此，用户可以定义要接受的连续有效数据的最小长度（例如，如果有效的连续测量值小于4小时，则滤出数据段）。虽然dT可能快速变化，但某些变化可能过大，表明数据存在问题。用户可以定义一个单位时间内的最大绝对变化此外，还可以使用鼠标和快捷键手动删除数据。用户可以选择包含要删除的数据范围的框。鼠标也可以用来选择一系列数据进行线性插值。插值函数对于填充数据中的小间隙或替换数据中的短尖峰非常有用。3.4. 数据转换Baseliner为用户提供了使用自动选择的dTmax点以及手动识别值的机会。自动dT最大值点选择的默认选项假定流量每晚停止，并确定每天午夜至7：00 AM之间的最大dT值。这种方法占的环境条件下，温度是最有可能下降到露点以下，以及生理反应，其中停止流动通过传感器可能落后于气孔关闭在叶片水平。用于自动dT最大点选择的第二选项找到当液流可能为零时的联合条件集。这些条件是：（1）夜间，其特征在于辐射接近零;（2）稳定的dT，其特征在于变异系数低;以及（3）低D，其特征在于在指定的时间长度内数值低于设定的阈值[4]。如果这些条件在给定夜晚的多个时间点上满足，则选择最后一个由于可能存在自动化方法可能无法识别合理的dTmax点的情况，因此GUI还允许用户使用鼠标通过以下方式添加dTmax点：A.C. Oishi等人/ SoftwareX 5（2016）139143单击dT线附近的点，或通过用框突出显示这些点来删除不合理的dTmax点。无单位流量参数K在对dTmax基线或dT数据进行任何更改后自动重新计算。K时间序列显示在GUI中。开放源代码的结构允许用户修改用于dTmax点选择的核心算法以及用于过滤数据的过程。3.5. 数据输出用户有两个选项可以将转换后的K数据导出为.csv文件。第一个选项是使用对dT和dTmax锚点的所有修改来导出K对于任何未修改的传感器，将使用默认dTmax值计算K。第二个选项使用用户修改的dT数据，但通过选择夜间峰值重新评估dTmax基线任何修改的dTmax锚点都不用于这些K估计值，但它们也不会在主项目文件中重置。第二个选项允许用户比较来自交互式方法和强制每晚dTmax方法的结果。用户还可以选择导出与点选择精度相关的误差估计值。软件基于随机选择的dTmax点运行K估计值的Monte-Carlo模拟，在正态分布内围绕所选dTmax锚点变化，标准差为1 h（与时间步长无关）。此文件的输出是导出K的标准差。列跟在原始输入文件后面。Baseliner还创建并保存一个可扩展标记语言（.xml）此.xml文件允许程序重新打开现有项目文件并对数据进行其他修改。4. 结论Baseliner旨在帮助用户避免在处理来自TDP的数据时最常见的一些错误，帮助建立数据QA/QC的标准化方法和处理该软件的结构旨在为用户提供最大的灵活性，无论是在数据处理界面方面还是在修改源代码中的核心算法方面。我们认识到，处理TDP数据的方法都不可能避免错误，并且数据分析的一定程度的主观性是必要的，无论是作为预定义的阈值和算法，还是通过用户交互。因此，Baseliner的格式达到了平衡自动化和目视检查之间的区别这种方法可以帮助用户产生最好的估计液流，占探头供热的变化，树木水分状况的变化，夜间液流。致谢我们要感谢Chelcy Miniat和Ken Krauss对本软件开发的建设性反馈，提供样本测试数据，并对手稿提供评论。我们感谢Doug Aubrey对手稿的评论，也感谢Pete Anderson和Shelly Hooke对软件的测试。该软件开发由美国农业部林务局南方研究站资助。Baseliner之前的版本是在杜克大学尼古拉斯环境学院开发的，由黄策提供编程支持（v.1）和Yavor Parashkevov（v.2和v.3）和生物与环境研究（BER）计划的资金支持（批准号DE-FG 02 00 ER 63015），美国能源部，通过国家全球环境变化研究所（NIGEC;能源部合作协议DE-FC030 - 90 ER 61010），并通过陆地碳处理（TCP）计划（DE-FG 02 - 95 ER 62083和DESC 0006967）。引用[1] 格拉尼尔河现在我想用这个方法来测量树干上的水和野兽的流量。Ann Sci For1985;42：81-8.[2] 格拉尼尔河用蒸腾速率法测定花旗松林分蒸腾速率液流测量。树木生理学1987;3：309[3] 卢平，乌尔班L，赵平，Granier的热耗散探针（TDP）测量树木液流的方法：理论与实践。ActaBot Sin2004;46：631-46.[4] OishiAC，Oren R，Stoy PC. 估算森林蒸发量的组成部分-spiration：Afootprint approach for scaling sap flux measurements. 农林气象2008;148：1719-32.[5] Dale yMG，Phillips NG. 夜间蒸腾的种间变化和气孔导度在一个混合的新英格兰落叶林。树木生理学2006;26：411-9.[6] [1] Das wson TE，Burgess SSO，Tu KP，Oliveira RS，Santiago LS，Fisher JB，Simonin KA，Ambrose AR.对比生态系统木本植物夜间蒸腾作用。树木生理学2007;27：561-75.[7] Oren R，Phillips N，Ewers BE，Pataki DE，Megonigal JP.淹水红豆杉林光、水汽压亏缺和叶面积减少对树干液流尺度蒸腾作用的影响。树木生理学1999;19：337-47.[8] PhillipsN，Oren R，Zimmermann R. 木质部液流的径向分布无孔、散孔和环孔树种。植物，细胞环境1996;19：983-90.